Принцип действия ультразвукового расходомера

1. Электронный блок ультразвукового расходомера выполнен в влагозащищенном пластмассовом корпусе настенного исполнения. Электронная схема ультразвукового расходомера выполнена по принципу многоступенчатой гальванической развязки (>1000 В) всех функциональных элементов между собой. Такой принцип обеспечивает максимальную помехозащищенность и надежность прибора в реальных и жестких условиях эксплуатации. В электронной схеме прибора применены надежные источники питания со временем наработки не менее 500 000 часов.

Структурная схема ультразвукового расходомера.

2. ПЭП 1 и 2, работающие попеременно в режиме приемник-излучатель, связаны высокочастотным кабелем РК-50 с ЭБ, обеспечивающим посылку возбуждающих импульсов (рисунок) на пьезопреобразователь, работающий в режиме излучателя, и прием (усиление и детектирование) слабых сигналов от пьезопреобразователя, работающего в режиме приемника. (см.рисунок).

временная диаграмма ультразвуковых сигналов расходомера

При движении жидкости в трубопроводе происходит снос ультразвуковой волны, который приводит к изменению времени распространения ультразвукового сигнала (далее – УЗС): по потоку жидкости (от ПЭП 1 к ПЭП 2) время прохождения уменьшается, а против потока (от ПЭП 2 к ПЭП 1) – возрастает. Разность времен прохождения УЗС через жидкость по и против потока пропорциональна скорости потока V и, следовательно, объемному расходу F. По полученным сигналам с пьезопреобразователей рассчитываются: времена прохождения сигнала от ПЭП 1 до ПЭП 2, расход, накопленный объем жидкости, и значение частоты выходного сигнала, пропорционального расходу. Вычисленные таким образом параметры, пропорциональные расходу, объему и времени подаются на текстовый дисплей для отображения.

3. Принцип действия ультразвукового расходомера поясняется рисунком:

принцип действия ультразвукового расходомера

Скорость распространения ультразвукового сигнала от излучателя до приемника в жидкости, заполняющей трубопровод, представляет собой сумму скоростей ультразвука в неподвижной воде и скорости потока воды V в проекции на рассматриваемое направление. Время распространения ультразвукового импульса от ПЭП 1 к 2, t1, и от ПЭП 2 к 1, t2, зависит от скорости движения воды в соответствии с формулами:

формула времён ультразвукового расходомера:

где t1, t2 – время распространения ультразвукового импульса по потоку и против потока, с;
Lд – расстояние между мембранами пьезопреобразователей, мм;
Lа – длина активной части акустического канала, мм;
С0 – скорость ультразвука в неподвижной воде, м/с;
V – скорость движения жидкости в УПР, м/с;
а – угол между осями трубопровода и датчиков ПЭП, градусы.
В ультразвуковом расходомере используется метод прямого, высокоточного измерения времени распространения каждого УЗС от одного ПЭП к другому. Из формул (1) и (2) получаем:

формула скорости ультразвукового расходомера:

где dt – разность времен распространения УЗС по потоку и против потока.
Из формулы (3), умножая среднюю скорость потока V на сечение трубопровода D, получаем значение расхода воды F, протекающего в месте установки пьезопреобразователей:

формула расхода ультразвукового расходомера:

где D – диаметр трубопровода на месте установки пьезопреобразователей, мм;
К – коэффициент коррекции.
Коэффициент коррекции К рассчитывается по "Методике поверки", является программируемым параметром. Гидродинамический коэффициент представляет собой отношение средней скорости потока жидкости в трубопроводе к скорости потока жидкости v, усредненной вдоль ультразвукового луча. Он вычисляется на основе введенных значений шероховатости стенок трубопровода, вязкости контролируемой жидкости, внутреннего диаметра трубопровода, измеренного значения скорости потока.
Изменение скорости распространения УЗС в рабочей жидкости, связанное с изменением температуры, давления и/или состава жидкости, ввиду неизменной длины акустического тракта, учитывается в приборе путем определения фактической скорости ультразвука, рассчитанной по формуле:

формула скорости ультразвука ультразвукового расходомера

Объем жидкости V за интервал времени Т определяется в соответствии с формулой:

формула накопленного объема ультразвукового расходомера:

4.Современный метод расчета расхода с использованием весовых коэффицентов:
В ультразвуковом расходомере двухлучевого исполнения, построенного на базе двухканального измерителя, на один трубопровод (УПР) устанавливаются две пары ПЭП. При этом измерение расхода по каждому лучу ведется независимо, а измеренное значение расхода в трубопроводе вычисляется по формуле:

формула расхода двухлучевого ультразвукового расходомера:

где W1,W2 – весовые коэффициенты для каждой пары ПЭП (каждого луча); F1, F2 – расход, измеренный по лучу 1 и лучу 2 соответственно.
В ультразвуковом расходомере трехлучевого исполнения, построенного на базе трехканального измерителя, на один трубопровод устанавливаются три пары датчиков. При этом измерение расхода по каждому лучу ведется независимо, а измеренное значение расхода в трубопроводе вычисляется по формуле:

формула расхода трехлучевого ультразвукового расходомера:

где W1,W2,W3 – весовые коэффициенты для каждой пары ПЭП (при размещении двух пар ПЭП по хордам и одной пары по центру в соответствии с инструкцией по монтажу).
В ультразвуковом расходомере четырехлучевого исполнения, построенного на базе четырехканального измерителя, на один трубопровод устанавливаются четыре пары датчиков. При этом измерение расхода по каждому лучу ведется независимо, а измеренное значение расхода в трубопроводе вычисляется по формуле:

формула расхода четырехлучевого ультразвукового расходомера:

где W1,W4,W2,W3 – весовые коэффициенты для каждой пары ПЭП (при размещении ПЭА по хордам в соответствии с инструкцией по монтажу).
Значение расхода определяется при выполнении условия: Fотс < F,где Fотс – минимальное значение расхода (нижняя отсечка), м3/ч; F – текущее значение расхода, м3/ч. Рекомендуемое значение нижней отсечки соответствует скорости потока 0,035 м/с. Если выполняется условие F < Fотс, то в расходомере измеренное значение расхода приравнивается нулю, прекращается накопление объема, выдача импульсов на универсальном выходе, а ток на выходе становится равным нижнему значению диапазона. При выполнении условия F > Fmax измерение расхода продолжается, но значение расхода становится равным верхнему значению диапазона Fmax.

Подробный вывод формул на ультразвуковой расходомер

Онлайн документация на ультразвуковой расходомер